ЗВУК: ИСТОРИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК ОН ПРОИЗВОДИТСЯ, ВИДЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ

Звук определяется как возмущение к распространяющейся в среде , такой как воздух, попеременно производит сжатия и разрежения в нем. Эти изменения давления и плотности воздуха достигают уха и интерпретируются мозгом как слуховые ощущения.

Звуки сопровождают жизнь с момента ее зарождения, являясь частью инструментов, которыми животные должны общаться друг с другом и с окружающей средой. Некоторые люди утверждают, что растения тоже слушают, но в любом случае они могут воспринимать вибрации окружающей среды, даже если у них нет слухового аппарата, как у высших животных.

Рисунок 1. Разрыв звукового барьера.

Помимо использования звука для общения посредством речи, люди используют его как художественное выражение через музыку. Во всех культурах, древних и недавних, есть всевозможные музыкальные проявления, с помощью которых они рассказывают свои истории, обычаи, религиозные верования и чувства.

История

Из-за его важности человечество заинтересовалось его природой и создало акустику - раздел физики, посвященный свойствам и поведению звуковых волн.

Известно, что знаменитый математик Пифагор (569–475 до н.э.) долгое время изучал разницу в высоте (частоте) между звуками. С другой стороны, Аристотель, который размышлял обо всех аспектах природы, правильно утверждал, что звук состоит из расширений и сжатий в воздухе.

Позже известный римский инженер Витрувий (80-15 до н.э.) написал трактат по акустике и ее применению в строительстве театров. Сам Исаак Ньютон (1642-1727) изучал распространение звука в твердых средах и определил формулу для его скорости распространения.

Со временем математический аппарат расчета позволил адекватно выразить всю сложность волнового поведения.

Звуковые характеристики (свойства)

В простейшей форме звуковую волну можно описать как синусоидальную волну, распространяющуюся во времени и пространстве, как показано на рисунке 2. Здесь наблюдается периодичность волны, то есть она имеет периодичность. способ, который повторяется во времени.

Поскольку волна является продольной, направление распространения и направление движения частиц колеблющейся среды одинаковы.

Параметры звуковой волны

Рис. 2. Звук - это продольная волна, возмущение распространяется в том же направлении, в котором молекулы перемещаются. Источник: Wikimedia Commons.

Параметры звуковой волны:

Период T: время, необходимое для повторения фазы волны. В международной системе это измеряется в секундах.

Цикл : это часть волны, содержащаяся в периоде и охватывающая от одной точки до другой, имеющая одинаковую высоту и одинаковый наклон. Это может быть от одной долины к другой, от одного гребня к другому или от одной точки до другой, что соответствует описанным характеристикам.

Длина волны λ : это расстояние между одним гребнем и другим гребнем волны, между одной долиной и другой, или в целом между одной точкой и другой с той же высотой и наклоном. Длина измеряется в метрах, хотя другие единицы более уместны в зависимости от типа волны.

Частота f : определяется как количество циклов в единицу времени. Единица измерения - Герцы (Гц).

Амплитуда A: соответствует максимальной высоте волны относительно горизонтальной оси.

Как производится и распространяется звук?

Звук возникает, когда объект, погруженный в материальную среду, вибрирует, как показано в нижней части рисунка 2. Натянутая мембрана динамика слева вибрирует и передает возмущение по воздуху до тех пор, пока достигает слушателя.

По мере распространения возмущения энергия передается молекулам в окружающей среде, которые взаимодействуют друг с другом посредством расширения и сжатия. Вам всегда нужна материальная среда для распространения звука, будь то твердое тело, жидкость или газ.

Когда воздух достигает уха, колебания давления воздуха вызывают вибрацию барабанной перепонки. Это приводит к возникновению электрических импульсов, которые передаются в мозг через слуховой нерв, где они преобразуются в звук.

Скорость звука

Скорость механических волн в данной среде подчиняется этому соотношению:

Например, при распространении в газе, таком как воздух, скорость звука можно рассчитать как:

С повышением температуры увеличивается и скорость звука, поскольку молекулы в среде более склонны к вибрации и передают вибрацию посредством своих движений. Напротив, давление не влияет на его стоимость.

Связь между длиной волны и частотой

Мы уже видели, что время, необходимое волне для завершения цикла, - это период, в то время как расстояние, пройденное за этот период времени, равно одной длине волны. Следовательно, скорость звука v определяется как:

С другой стороны, частота и период связаны между собой, один из которых является обратным, например:

Что приводит к:

Диапазон слышимых частот у людей составляет от 20 до 20 000 Гц, поэтому длина волны звука составляет от 1,7 см до 17 м при подстановке значений в приведенное выше уравнение.

Эти длины волн соответствуют размеру обычных объектов, которые влияют на распространение звука, поскольку, будучи волной, она испытывает отражение, преломление и дифракцию при встрече с препятствиями.

Дифракция означает, что звук влияет на звук, когда он встречает препятствия и отверстия, размер которых близок или меньше его длины волны.

Басовые звуки могут лучше распространяться на большие расстояния, поэтому слоны используют инфразвук (очень низкочастотные звуки, неслышимые человеческому уху) для общения на своих обширных территориях.

Также, когда в соседней комнате звучит музыка, басы слышны лучше, чем высокие, потому что их длина волны примерно равна размеру двери и окна. С другой стороны, при выходе из комнаты высокие звуки легко теряются и, следовательно, перестают быть слышными.

Как измеряется звук?

Звук состоит из серии сжатий и разрежений воздуха таким образом, что по мере распространения звук вызывает увеличение и уменьшение давления. В Международной системе давление измеряется в паскалях, сокращенно Па.

Что происходит, так это то, что эти изменения очень малы по сравнению с атмосферным давлением, которое составляет около 101 000 Па.

Даже самые громкие звуки вызывают колебания всего в 20-30 Па (болевой порог), что довольно мало для сравнения. Но если вы можете измерить эти изменения, тогда у вас есть способ измерить звук.

Звуковое давление - это разница между атмосферным давлением со звуком и атмосферным давлением без звука. Как мы уже говорили, самые громкие звуки создают звуковое давление 20 Па, а самые слабые - около 0,00002 Па (звуковой порог).

Поскольку диапазон звуковых давлений охватывает несколько степеней 10, для их обозначения следует использовать логарифмическую шкалу.

С другой стороны, экспериментально было установлено, что люди воспринимают изменения в звуках низкой интенсивности более заметно, чем изменения такой же величины, но в звуках высокой интенсивности.

Например, если звуковое давление увеличивается на 1, 2, 4, 8, 16…, ухо воспринимает увеличение интенсивности на 1, 2, 3, 4…. По этой причине удобно определить новую величину, называемую уровнем звукового давления (Уровень звукового давления) L _P , определяемую как:

Где P _o - эталонное давление, которое принимается за порог слышимости, а P ₁ - среднее эффективное давление или среднеквадратичное давление. Это RMS или среднее давление - это то, что ухо воспринимает как среднюю энергию звукового сигнала.

Децибелы

Результат приведенного выше выражения для L _P при оценке для различных значений P ₁ дается в децибелах, безразмерной величине. Выражение уровня звукового давления таким образом очень удобно, потому что логарифмы преобразуют большие числа в меньшие, более управляемые числа.

Однако во многих случаях для определения децибел предпочтительно использовать интенсивность звука, а не звуковое давление.

Интенсивность звука - это энергия, которая течет в течение одной секунды (мощность) через единицу поверхности, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны. Как и звуковое давление, это скалярная величина, обозначаемая I. Единицами I являются Вт / м ² , то есть мощность на единицу площади.

Можно показать, что интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления:

В этом выражении ρ - плотность среды, а c - скорость звука. Тогда уровень интенсивности звука L _I определяется как:

Что также выражается в децибелах и иногда обозначается греческой буквой β. Эталонное значение I _o составляет 1 x 10 ^-12 Вт / м ² . Таким образом, 0 дБ представляет собой нижний предел человеческого слуха, а болевой порог составляет 120 дБ.

Поскольку это логарифмическая шкала, необходимо подчеркнуть, что небольшие различия в количестве децибел имеют большое значение с точки зрения интенсивности звука.

Измеритель уровня звука

Измеритель уровня звука или децибелметр - это устройство, используемое для измерения звукового давления, показывающее измерение в децибелах. Он разработан, чтобы реагировать на него так же, как и человеческое ухо.

Рисунок 3. Измеритель уровня звука или децибелметр используется для измерения уровня звукового давления. Источник: Wikimedia Commons.

Он состоит из микрофона для сбора сигнала, дополнительных схем с усилителями и фильтрами, которые отвечают за адекватное преобразование этого сигнала в электрический ток, и, наконец, шкалы или экрана для отображения результата считывания.

Они широко используются для определения воздействия определенных шумов на людей и окружающую среду. Например, шум на заводах, в промышленности, в аэропортах, транспортный шум и многие другие.

Типы звука (инфразвук, ультразвук, моно, стерео, полифонический, гомофонический, басовый, высокочастотный)

Звук характеризуется своей частотой. В соответствии с теми звуками, которые может улавливать человеческое ухо, все звуки подразделяются на три категории: те, которые мы можем слышать или слышимый спектр, те, которые имеют частоту ниже нижнего предела слышимого спектра или инфразвука, и те, которые выше верхний предел, называемый ультразвуком.

В любом случае, поскольку звуковые волны могут перекрываться линейно, повседневные звуки, которые мы иногда интерпретируем как уникальные, на самом деле состоят из разных звуков с разными, но близкими частотами.

Рисунок 4. Звуковой спектр и частотные диапазоны. Источник: Wikimedia Commons.

Слышимый спектр

Человеческое ухо предназначено для восприятия широкого диапазона частот: от 20 до 20 000 Гц. Но не все частоты в этом диапазоне воспринимаются с одинаковой интенсивностью.

Ухо более чувствительно в диапазоне частот от 500 до 6000 Гц, однако есть и другие факторы, влияющие на способность воспринимать звук, например возраст.

Инфразвук

Это звуки с частотой менее 20 Гц, но тот факт, что люди не могут их слышать, не означает, что другие животные не могут. Например, слоны используют их для общения, поскольку инфразвук может перемещаться на большие расстояния.

Другие животные, такие как тигр, используют их, чтобы оглушить свою добычу. Инфразвук также используется при обнаружении крупных объектов.

ультразвук

Они имеют частоты выше 20 000 Гц и широко используются во многих областях. Одно из наиболее заметных применений ультразвука - это медицинский инструмент как для диагностики, так и для лечения. Изображения, полученные с помощью ультразвука, неинвазивны и не содержат ионизирующего излучения.

Ультразвук также используется для поиска дефектов в конструкциях, определения расстояний, обнаружения препятствий во время навигации и многого другого. Животные также используют ультразвук, и именно так было обнаружено его существование.

Летучие мыши излучают звуковые импульсы, а затем интерпретируют создаваемое ими эхо, чтобы оценить расстояния и определить местонахождение добычи. Со своей стороны, собаки также могут слышать ультразвук, поэтому они реагируют на свист собаки, который их хозяин не слышит.

Монофонический звук и стереофонический звук

Рис. 4. В звукозаписывающей студии звук соответствующим образом модифицируется с помощью электронных устройств. Источник: Pixabay.

Монофонический звук - это сигнал, записанный с помощью одного микрофона или аудиоканала. При прослушивании через наушники или рожки оба уха слышат одно и то же. Напротив, стереофонический звук записывает сигналы с помощью двух независимых микрофонов.

Микрофоны расположены в разных положениях, поэтому они могут улавливать разное звуковое давление того, что вы хотите записать.

Затем каждое ухо получает один из этих наборов сигналов, и когда мозг собирает и интерпретирует их, результат становится намного более реалистичным, чем при прослушивании монофонических звуков. Поэтому это предпочтительный метод, когда дело касается музыки и фильмов, хотя монофонический или монофонический звук все еще используется на радио, особенно для интервью и разговоров.

Гомофония и полифония

С музыкальной точки зрения, гомофония состоит из одной и той же мелодии, которую играют два или более голосов или инструментов. С другой стороны, в полифонии есть два или более голосов или инструментов равной важности, которые следуют мелодиям и даже разным ритмам. Полученный ансамбль этих звуков получается гармоничным, как у музыки Баха.

Басовые и высокие звуки

Человеческое ухо различает слышимые частоты на высокие, низкие и средние. Это то, что известно как высота звука.

Самые высокие частоты, от 1600 до 20000 Гц, считаются острыми звуками, полоса от 400 до 1600 Гц соответствует звукам со средним тоном, и, наконец, частоты в диапазоне от 20 до 400 Гц являются басовыми тонами.

Басовые звуки отличаются от высоких частот тем, что первые воспринимаются как глубокие, темные и громкие, а вторые - легкие, чистые, радостные и пронзительные. Кроме того, ухо воспринимает их как более интенсивные, в отличие от низкочастотных звуков, которые создают ощущение меньшей интенсивности.

Ссылки

Фигероа, Д. 2005. Волны и квантовая физика. Серия: Физика для науки и техники. Под редакцией Д. Фигероа.
Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. 6-е. Эд Прентис Холл.
Рокамора, А. Заметки по музыкальной акустике. Получено с: eumus.edu.uy.
Сервей, Р., Джуэтт, Дж. (2008). Физика для науки и техники. Том 1. 7-е. Под ред. Cengage Learning.
Wikipedia. Акустика. Получено с: es.wikipedia.org.

ЗВУК: ИСТОРИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК ОН ПРОИЗВОДИТСЯ, ВИДЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025